degradación oxidativa de quitosano con peróxido de hidrógeno
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Revista Iberoamericana de Polímeros Volumen 16(1) Enero 2015 González et al. Degradaciçon oxidativa del quitosano 43 Rev. Iber. Polímeros, 16(1), 43-68 (2015) DEGRADACIÓN OXIDATIVA DE QUITOSANO CON PERÓXIDO DE HIDRÓGENO Carlos González 1 , Ana Valbuena 2 , Beltriz Celis 1 , Luis Perentena 1 , Marinela Colina 1,3 1. Laboratorio de Química Ambiental. Facultad Experimental de Ciencias. Universidad del Zulia. Maracaibo 4011. Venezuela 2. Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC). Seccional Zulia. Av 8. Maracaibo. Venezuela. 3. Empresa Innovación Ambiental Quitosano CA. Av San Francisco No 29–25. Maracaibo. Venezuela. Correo electrónico: colinamarinela@gmail.com Recibido: Septiembre 2014; Aceptado: Diciembre 2014 RESUMEN En este trabajo se utilizó un diseño experimental tipo Taguchi L 9 3 4 para conseguir un método eficiente de degradación oxidativa, donde se estudiaron 4 variables a 3 niveles cada una, las cuales son el GD (A), el sistema oxidativo (B), el volumen de H 2 O 2 (C) y el tiempo (D). Los agentes activantes estudiados fueron FeSO 4 /H 2 O 2 (reactivo de Fenton), ácido peracético (APA) y como método de control se utilizó H 2 O 2 en medio ácido. La degradación de los quitosanos fue comprobada mediante viscosimetría relativa y el aumento de la intensidad de la señal a 1.622 cm –1 propia de grupos carbonilos en quitosanos degradados. El orden de contribución de las variables al estudio fue A > C > B > D y las condiciones óptimas de degradación para los tres quitosanos fueron 30 minutos, 3 mL de H 2 O 2 y activación vía perácido con ácido acético. Palabras claves: degradación oxidativa, quitosano, peróxido de hidrógeno, grado de acetilación, masa molar, Taguchi ABSTRACT In this work, there was designed an Taguchi arrangement L 9 3 4 to obtain an efficient method of oxidative degradation, the four variables studied to three levels each one, which are the GD (A), the oxidizing system (B), the volume of H 2 O 2 (C) and the time (D). The activating agents studied were FeSO 4 /H 2 O 2 (Fenton's reagent), peracetic acid (APA) and as method of control it was used H 2 O 2 in acid medium. The degradation of the chitosan was verified by means of relative viscometry and the increase of the intensity of the sign at 1622 cm –1 belonging to carbonil groups in degraded chitosan. The order of contribution of the variables to the study were A > C > B > D and the ideal conditions of degradation for the 3 chitosan were 30 min., 3mL of H 2 O 2 and activation by acetic peracid way. Keywords: oxidative degradation, chitosan, hydrogen peroxide, degree of deacetylation, molar masses, Taguchi. INTRODUCCIÓN La quitina es un polisacárido natural sintetizado por un gran número de organismos vivos y funciona como un polisacárido estructural [1], es el segundo polímero natural más abundante después de la celulosa, fácil de obtener y renovable. Se encuentra comúnmente en los exoesqueletos de los crustáceos y en las paredes celulares de los hongos, insectos y levaduras [2]. La quitina es blanca, dura, inelástica y la mayor fuente de contaminación superficial de las áreas costeras [3]. A pesar de la presencia extendida de la quitina, las principales fuentes comerciales siguen siendo las conchas de camarón y cangrejo [1]. El quitosano se obtiene por la reacción de desacetilación de la quitina en medio alcalino. Está compuesto por las unidades monoméricas β–(1→4)–2–amino–2–desoxi–D–glucosa y β–(1→4)–2– acetamida–2–desoxi–D–glucosa y posee una estructura cristalina altamente organizada [4]. Tiene
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DEGRADACIOacuteN OXIDATIVA DE QUITOSANO CON PEROacuteXIDO DE
HIDROacuteGENO
Carlos Gonzaacutelez1 Ana Valbuena
2 Beltriz Celis
1 Luis Perentena
1 Marinela Colina
13
1 Laboratorio de Quiacutemica Ambiental Facultad Experimental de Ciencias Universidad del Zulia Maracaibo
4011 Venezuela
2 Instituto Venezolano de Investigaciones Cientiacuteficas (IVIC) Seccional Zulia Av 8 Maracaibo Venezuela
3 Empresa Innovacioacuten Ambiental Quitosano CA Av San Francisco No 29ndash25 Maracaibo Venezuela
Correo electroacutenico colinamarinelagmailcom
Recibido Septiembre 2014 Aceptado Diciembre 2014
RESUMEN
En este trabajo se utilizoacute un disentildeo experimental tipo Taguchi L9 34 para conseguir un meacutetodo
eficiente de degradacioacuten oxidativa donde se estudiaron 4 variables a 3 niveles cada una las cuales son el
GD (A) el sistema oxidativo (B) el volumen de H2O2 (C) y el tiempo (D) Los agentes activantes
estudiados fueron FeSO4 H2O2 (reactivo de Fenton) aacutecido peraceacutetico (APA) y como meacutetodo de control
se utilizoacute H2O2 en medio aacutecido La degradacioacuten de los quitosanos fue comprobada mediante viscosimetriacutea
relativa y el aumento de la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
propia de grupos carbonilos en quitosanos
degradados El orden de contribucioacuten de las variables al estudio fue A gt C gt B gt D y las condiciones
oacuteptimas de degradacioacuten para los tres quitosanos fueron 30 minutos 3 mL de H2O2 y activacioacuten viacutea
peraacutecido con aacutecido aceacutetico
Palabras claves degradacioacuten oxidativa quitosano peroacutexido de hidroacutegeno grado de acetilacioacuten
masa molar Taguchi
ABSTRACT
In this work there was designed an Taguchi arrangement L9 34 to obtain an efficient method of
oxidative degradation the four variables studied to three levels each one which are the GD (A) the
oxidizing system (B) the volume of H2O2 (C) and the time (D) The activating agents studied were
FeSO4H2O2 (Fentons reagent) peracetic acid (APA) and as method of control it was used H2O2 in acid
medium The degradation of the chitosan was verified by means of relative viscometry and the increase of
the intensity of the sign at 1622 cmndash1
belonging to carbonil groups in degraded chitosan The order of
contribution of the variables to the study were A gt C gt B gt D and the ideal conditions of degradation for
the 3 chitosan were 30 min 3mL of H2O2 and activation by acetic peracid way
Keywords oxidative degradation chitosan hydrogen peroxide degree of deacetylation molar
masses Taguchi
INTRODUCCIOacuteN
La quitina es un polisacaacuterido natural sintetizado por un gran nuacutemero de organismos vivos y
funciona como un polisacaacuterido estructural [1] es el segundo poliacutemero natural maacutes abundante
despueacutes de la celulosa faacutecil de obtener y renovable Se encuentra comuacutenmente en los exoesqueletos
de los crustaacuteceos y en las paredes celulares de los hongos insectos y levaduras [2] La quitina es
blanca dura inelaacutestica y la mayor fuente de contaminacioacuten superficial de las aacutereas costeras [3] A
pesar de la presencia extendida de la quitina las principales fuentes comerciales siguen siendo las
conchas de camaroacuten y cangrejo [1]
El quitosano se obtiene por la reaccioacuten de desacetilacioacuten de la quitina en medio alcalino Estaacute
compuesto por las unidades monomeacutericas βndash(1rarr4)ndash2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucosa y βndash(1rarr4)ndash2ndash
acetamidandash2ndashdesoxindashDndashglucosa y posee una estructura cristalina altamente organizada [4] Tiene
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una amplia variedad de aplicaciones en las industrias biofarmaceacuteutica biomeacutedica y cosmeacutetica asiacute
como en la agricultura y en el tratamiento de aguas residuales entre otras [5] Esta gran
aplicabilidad comercial se debe a varios factores como su solubilidad en aacutecidos diluidos y la
presencia de grupos hidroxilo y amino libres en la cadena polimeacuterica lo cual le confiere una gran
capacidad para atrapar iones de metales pesados no es toacutexico es biodegradable y biocompatible
[6]
Las aplicaciones del quitosano se ven limitadas por la baja solubilidad en soluciones acuosas
neutras y su degradacioacuten a largo plazo En los uacuteltimos antildeos los estudios han revelado que las
propiedades del quitosano dependen de su masa molar [7] El quitosano de alta masa molar muestra
una alta viscosidad en soluciones acuosas ligeramente aacutecidas lo cual puede limitar su uso En
contraste el quitosano de baja masa molar supera esta limitacioacuten teniendo viscosidades
bajas Ademaacutes tiene una mayor solubilidad en soluciones acuosas neutras que el quitosano de alta
masa molar lo que ampliacutea sus aplicaciones por ejemplo en antibioacuteticos antifuacutengicos y agentes
antitumorales [8]
El quitosano de baja masa molar puede ser producido por depolimerizacioacuten quiacutemica (aacutecida u
oxidativa) o enzimaacutetica del quitosano de alta masa molar [8] Hay maacutes de 30 tipos de enzimas que
pueden ser usadas para tal fin pero presentan algunas dificultades en procesos industriales de gran
escala Por otro lado se han empleado gran variedad de aacutecidos concentrados como aacutecido
clorhiacutedrico sulfuacuterico aceacutetico y fluorhiacutedrico pero las condiciones de reaccioacuten son tan fuertes que se
hace difiacutecil la obtencioacuten de quitosano con masas molares de 10000ndash100000 gmol en altos
rendimientos sin grandes cantidades de subproductos [9]
El peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) ha sido utilizado en el tratamiento de quitosano porque es
econoacutemico y faacutecil de manejar ademaacutes de ser amigable para el medio ambiente solo tiene como
subproducto de reaccioacuten el agua Esta degradacioacuten con H2O2 se basa en la formacioacuten de radicales
libres que pueden atacar los enlaces glucosiacutedicos βndashDndash(1rarr4) del quitosano [10]
Como el peroacutexido de hidroacutegeno es un agente oxidante relativamente deacutebil requiere ser activado
para llevar a cabo ciertas oxidaciones Esto representa una ventaja de la baja reactividad intriacutenseca
de peroacutexido de hidroacutegeno este se puede activar con una gran cantidad de reactivos para llevar a
cabo una oxidacioacuten dada [11]
Por estas razones en el presente trabajo se realizaraacuten diferentes ensayos con sistemas
oxidativos basados en peroacutexido de hidroacutegeno activado con distintos reactivos con la finalidad de
degradar quitosanos de diversos grados de desacetilacioacuten
Quitina y quitosano
Quitina Propiedades de la quitina La quitina es un copoliacutemero aleatorio de βndash14ndashNndashacetil
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glucosamina βndash14ndashNndashglucosamina [12] (veacutease la Figura 1) y posee enlaces de hidroacutegeno
ampliamente extendidos a lo largo de toda su estructura semicristalina causantes de su muy
reducida solubilidad [13]
Figura 1 Estructura quiacutemica de la quitina
La quitina es un importante polisacaacuterido estructural que provee de integridad estructural y
protege a insectos y crustaacuteceos Ademaacutes es calificada como material funcional debido a sus
excelentes propiedades tales como la biocompatibilidad la biodegradabilidad no toxicidad y
propiedades como adsorbente [14]
Fuentes de quitina La quitina se encuentra distribuida ampliamente en la naturaleza y
despueacutes de la celulosa es el segundo polisacaacuterido en abundancia [15] Se produce en paredes
celulares de hongos y levaduras en las conchas de langostas cangrejos camarones asiacute como en la
cutiacutecula de los insectos Tambieacuten es producido por diversos organismos marinos vivos [5] Sin
embargo la produccioacuten industrial de este biomaterial praacutecticamente se basa en el tratamiento de las
conchas de diversos tipos de crustaacuteceos debido a la facilidad de encontrar estos materiales como
desecho de las plantas procesadoras de estas especies [15]
Figura 2 Estructura molecular del quitosano
Quitosano Propiedades del quitosano El quitosano es el derivado desacetilado de la
quitina es un copoliacutemero lineal de unidades β(1rarr4)ndash2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucosa y βndash(1rarr4)ndash2ndash
GAlt50
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acetamidandash2ndashdesoxindashDndashglucosa (Figura 2) [16] Este se puede encontrar de forma natural en las
paredes celulares de algunas plantas y hongos [15] es policatioacutenico no toacutexico biodegradable asiacute
como antimicrobiano y se ha reportado que tiene numerosas aplicaciones especialmente en los
alimentos farmaceacuteutica y cosmeacutetica [16] Estas propiedades han atraiacutedo una gran atencioacuten hacia
este material ya que tambieacuten se puede obtener en varias formas por su capacidad de gelificacioacuten y
ser modificado posteriormente por sus grupos amino e hidroxilo [17]Sin embargo la idoneidad del
quitosano para tales aplicaciones depende de su masa molar y su grado de desacetilacioacuten [16]
La produccioacuten de quitosano implica los pasos de desmineralizacioacuten desproteinizacioacuten
decoloracioacuten y desacetilacioacuten [18] Se extrae la quitina de los crustaacuteceos por tratamiento con aacutecido
para disolver el carbonato de calcio seguida de extraccioacuten alcalina para solubilizar las proteiacutenas
Ademaacutes se antildeade con frecuencia un paso de decoloracioacuten para eliminar restos de pigmentos y
obtener un producto incoloro La quitina resultante es desacetilada en hidroacutexido de sodio a alta
temperatura [5 14] Si por este tratamiento la quitina es desacetilada en maacutes de un 50 se produce
el quitosano y cuando el grado de desacetilacioacuten alcanza el 100 el poliacutemero se conoce como
quitano [15]
Mientras que la quitina es insoluble en la mayoriacutea de disolventes orgaacutenicos el quitosano se
disuelve faacutecilmente en soluciones aacutecidas diluidas por debajo de pH 60 Esto se debe a que el
quitosano es una base fuerte ya que cuenta con grupos amino primarios con un valor pKa de 63 La
presencia de estos grupos amino indican que el pH altera sustancialmente el estado de carga y las
propiedades de quitosano A pH bajos estas aminas se protonan y se cargan positivamente
haciendo al quitosano un polielectrolito catioacutenico soluble en agua Por otra parte a medida que
aumenta el pH por encima de 6 los grupos amino se desprotonan y el quitosano pierde su carga y se
convierte en un poliacutemero insoluble A medida que el valor de pKa es altamente dependiente del
grado de Nndashacetilacioacuten la solubilidad del quitosano es dependiente del grado de desacetilacioacuten y
del meacutetodo de desacetilacioacuten utilizado [13]
El quitosano puede formar sales cuaternarias de nitroacutegeno a bajos valores de pH Asiacute los
aacutecidos orgaacutenicos como el aceacutetico foacutermico y aacutecido laacutectico pueden disolverlo El mejor disolvente
encontrado para este fin es el aacutecido foacutermico donde las soluciones se obtienen en sistemas acuosos
que contienen 02ndash100 de aacutecido foacutermico No obstante el solvente maacutes comuacutenmente utilizado es
aacutecido aceacutetico al 1 alrededor de pH 4 aunque tambieacuten es soluble en aacutecido clorhiacutedrico al 1 y en
aacutecido niacutetrico diluido pero es insoluble en el aacutecido sulfuacuterico y fosfoacuterico [13]
Aplicaciones del quitosano El quitosano tiene muchas aplicaciones algunas de ellas se
muestran en la Tabla 1 [5 14 19]
Modificacioacuten quiacutemica del quitosano Reacciones de degradacioacuten activacioacuten del peroacutexido
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de hidroacutegeno En vista de su potencial redox (176 V) se esperariacutea que el peroacutexido de hidroacutegeno
fuese un oxidante relativamente poderoso Sin embargo el peroacutexido de hidroacutegeno es de hecho un
agente oxidante relativamente deacutebil
Tabla 1 Algunas aplicaciones del quitosano [5 14 19]
Campo Aplicacioacuten
Alimentos
Antioxidante
Suplemento dieteacutetico (fuente de fibra)
Reductor de colesterol
Prebioacutetico
Conservantes
Estabilizante y espesante
Recubrimiento de proteccioacuten fungistaacutetico y antibacteriano
Ciencias medicas
Antitumoral
Hemostaacutetico y anticoagulante
Bacteriostaacutetico
Sistema de liberacioacuten de drogas
Antiuacutelcera
Lentes de contacto
Suturas quiruacutergicas
Piel artificial
Implantes dentales
Reconstruccioacuten oacutesea
Agricultura
Mecanismo defensivo en plantas
Estimulante del crecimiento
Recubrimiento de semillas
Sistema de liberacioacuten de fertilizantes
Cosmeacuteticos
Humectante
Tonificante
Gelificante para cremas y lociones
Tratamiento de aguas
Floculante
Eliminacioacuten de iones metaacutelicos
Reductor de olores
Remocioacuten de tintes y colorantes
Aunque se pueden obtener algunas oxidaciones sin ayuda por ejemplo reacciona lentamente
con sustratos como olefinas hidrocarburos aromaacuteticos y alcanos pero para la mayoriacutea de las
aplicaciones se requiere activacioacuten de una forma u otra Esto se refleja en el hecho de que el
peroacutexido de hidroacutegeno ha sido usado como agente blanqueador por maacutes de un siglo y algunos
meacutetodos de activacioacuten como el reactivo de Fenton son auacuten maacutes viejos [11]
La baja reactividad intriacutenseca del peroacutexido de hidroacutegeno es en realidad una ventaja significa
que se puede activar de forma selectiva para llevar a cabo una oxidacioacuten dada La Figura 3
proporciona un resumen de los diversos oxidantes activos derivados del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
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Figura 3 Activacioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
Activacioacuten cataliacutetica reaccioacuten de Fenton La reaccioacuten de Fenton es la maacutes simple y
econoacutemica de los procesos de oxidacioacuten avanzada [20] y es conocida por ser muy eficaz en la
eliminacioacuten de muchos contaminantes orgaacutenicos peligrosos del agua La ventaja principal es la
destruccioacuten completa de los contaminantes en compuestos inocuos agua CO2 y sales inorgaacutenicas
La reaccioacuten de Fenton provoca la disociacioacuten del oxidante y la formacioacuten de radicales hidroxilo
altamente reactivos que atacan y destruyen los contaminantes orgaacutenicos [21]
El reactivo de Fenton es una mezcla de peroacutexido de hidroacutegeno e ion ferroso el cual genera
radicales hidroxilo de acuerdo a la reaccioacuten
(1)
El hierro ferroso (Fe2+
) inicia y cataliza la descomposicioacuten de H2O2 lo que resulta en la
generacioacuten de radicales hidroxilo La generacioacuten de los radicales implica una secuencia de reaccioacuten
compleja en una solucioacuten acuosa
(Iniciacioacuten de cadena) (2)
k1 asymp 70 Mminus1
middotsminus1
(Terminacioacuten de la cadena) (3)
k2 = 32middot10
8 M
minus1middots
minus1
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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63 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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una amplia variedad de aplicaciones en las industrias biofarmaceacuteutica biomeacutedica y cosmeacutetica asiacute
como en la agricultura y en el tratamiento de aguas residuales entre otras [5] Esta gran
aplicabilidad comercial se debe a varios factores como su solubilidad en aacutecidos diluidos y la
presencia de grupos hidroxilo y amino libres en la cadena polimeacuterica lo cual le confiere una gran
capacidad para atrapar iones de metales pesados no es toacutexico es biodegradable y biocompatible
[6]
Las aplicaciones del quitosano se ven limitadas por la baja solubilidad en soluciones acuosas
neutras y su degradacioacuten a largo plazo En los uacuteltimos antildeos los estudios han revelado que las
propiedades del quitosano dependen de su masa molar [7] El quitosano de alta masa molar muestra
una alta viscosidad en soluciones acuosas ligeramente aacutecidas lo cual puede limitar su uso En
contraste el quitosano de baja masa molar supera esta limitacioacuten teniendo viscosidades
bajas Ademaacutes tiene una mayor solubilidad en soluciones acuosas neutras que el quitosano de alta
masa molar lo que ampliacutea sus aplicaciones por ejemplo en antibioacuteticos antifuacutengicos y agentes
antitumorales [8]
El quitosano de baja masa molar puede ser producido por depolimerizacioacuten quiacutemica (aacutecida u
oxidativa) o enzimaacutetica del quitosano de alta masa molar [8] Hay maacutes de 30 tipos de enzimas que
pueden ser usadas para tal fin pero presentan algunas dificultades en procesos industriales de gran
escala Por otro lado se han empleado gran variedad de aacutecidos concentrados como aacutecido
clorhiacutedrico sulfuacuterico aceacutetico y fluorhiacutedrico pero las condiciones de reaccioacuten son tan fuertes que se
hace difiacutecil la obtencioacuten de quitosano con masas molares de 10000ndash100000 gmol en altos
rendimientos sin grandes cantidades de subproductos [9]
El peroacutexido de hidroacutegeno (H2O2) ha sido utilizado en el tratamiento de quitosano porque es
econoacutemico y faacutecil de manejar ademaacutes de ser amigable para el medio ambiente solo tiene como
subproducto de reaccioacuten el agua Esta degradacioacuten con H2O2 se basa en la formacioacuten de radicales
libres que pueden atacar los enlaces glucosiacutedicos βndashDndash(1rarr4) del quitosano [10]
Como el peroacutexido de hidroacutegeno es un agente oxidante relativamente deacutebil requiere ser activado
para llevar a cabo ciertas oxidaciones Esto representa una ventaja de la baja reactividad intriacutenseca
de peroacutexido de hidroacutegeno este se puede activar con una gran cantidad de reactivos para llevar a
cabo una oxidacioacuten dada [11]
Por estas razones en el presente trabajo se realizaraacuten diferentes ensayos con sistemas
oxidativos basados en peroacutexido de hidroacutegeno activado con distintos reactivos con la finalidad de
degradar quitosanos de diversos grados de desacetilacioacuten
Quitina y quitosano
Quitina Propiedades de la quitina La quitina es un copoliacutemero aleatorio de βndash14ndashNndashacetil
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glucosamina βndash14ndashNndashglucosamina [12] (veacutease la Figura 1) y posee enlaces de hidroacutegeno
ampliamente extendidos a lo largo de toda su estructura semicristalina causantes de su muy
reducida solubilidad [13]
Figura 1 Estructura quiacutemica de la quitina
La quitina es un importante polisacaacuterido estructural que provee de integridad estructural y
protege a insectos y crustaacuteceos Ademaacutes es calificada como material funcional debido a sus
excelentes propiedades tales como la biocompatibilidad la biodegradabilidad no toxicidad y
propiedades como adsorbente [14]
Fuentes de quitina La quitina se encuentra distribuida ampliamente en la naturaleza y
despueacutes de la celulosa es el segundo polisacaacuterido en abundancia [15] Se produce en paredes
celulares de hongos y levaduras en las conchas de langostas cangrejos camarones asiacute como en la
cutiacutecula de los insectos Tambieacuten es producido por diversos organismos marinos vivos [5] Sin
embargo la produccioacuten industrial de este biomaterial praacutecticamente se basa en el tratamiento de las
conchas de diversos tipos de crustaacuteceos debido a la facilidad de encontrar estos materiales como
desecho de las plantas procesadoras de estas especies [15]
Figura 2 Estructura molecular del quitosano
Quitosano Propiedades del quitosano El quitosano es el derivado desacetilado de la
quitina es un copoliacutemero lineal de unidades β(1rarr4)ndash2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucosa y βndash(1rarr4)ndash2ndash
GAlt50
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acetamidandash2ndashdesoxindashDndashglucosa (Figura 2) [16] Este se puede encontrar de forma natural en las
paredes celulares de algunas plantas y hongos [15] es policatioacutenico no toacutexico biodegradable asiacute
como antimicrobiano y se ha reportado que tiene numerosas aplicaciones especialmente en los
alimentos farmaceacuteutica y cosmeacutetica [16] Estas propiedades han atraiacutedo una gran atencioacuten hacia
este material ya que tambieacuten se puede obtener en varias formas por su capacidad de gelificacioacuten y
ser modificado posteriormente por sus grupos amino e hidroxilo [17]Sin embargo la idoneidad del
quitosano para tales aplicaciones depende de su masa molar y su grado de desacetilacioacuten [16]
La produccioacuten de quitosano implica los pasos de desmineralizacioacuten desproteinizacioacuten
decoloracioacuten y desacetilacioacuten [18] Se extrae la quitina de los crustaacuteceos por tratamiento con aacutecido
para disolver el carbonato de calcio seguida de extraccioacuten alcalina para solubilizar las proteiacutenas
Ademaacutes se antildeade con frecuencia un paso de decoloracioacuten para eliminar restos de pigmentos y
obtener un producto incoloro La quitina resultante es desacetilada en hidroacutexido de sodio a alta
temperatura [5 14] Si por este tratamiento la quitina es desacetilada en maacutes de un 50 se produce
el quitosano y cuando el grado de desacetilacioacuten alcanza el 100 el poliacutemero se conoce como
quitano [15]
Mientras que la quitina es insoluble en la mayoriacutea de disolventes orgaacutenicos el quitosano se
disuelve faacutecilmente en soluciones aacutecidas diluidas por debajo de pH 60 Esto se debe a que el
quitosano es una base fuerte ya que cuenta con grupos amino primarios con un valor pKa de 63 La
presencia de estos grupos amino indican que el pH altera sustancialmente el estado de carga y las
propiedades de quitosano A pH bajos estas aminas se protonan y se cargan positivamente
haciendo al quitosano un polielectrolito catioacutenico soluble en agua Por otra parte a medida que
aumenta el pH por encima de 6 los grupos amino se desprotonan y el quitosano pierde su carga y se
convierte en un poliacutemero insoluble A medida que el valor de pKa es altamente dependiente del
grado de Nndashacetilacioacuten la solubilidad del quitosano es dependiente del grado de desacetilacioacuten y
del meacutetodo de desacetilacioacuten utilizado [13]
El quitosano puede formar sales cuaternarias de nitroacutegeno a bajos valores de pH Asiacute los
aacutecidos orgaacutenicos como el aceacutetico foacutermico y aacutecido laacutectico pueden disolverlo El mejor disolvente
encontrado para este fin es el aacutecido foacutermico donde las soluciones se obtienen en sistemas acuosos
que contienen 02ndash100 de aacutecido foacutermico No obstante el solvente maacutes comuacutenmente utilizado es
aacutecido aceacutetico al 1 alrededor de pH 4 aunque tambieacuten es soluble en aacutecido clorhiacutedrico al 1 y en
aacutecido niacutetrico diluido pero es insoluble en el aacutecido sulfuacuterico y fosfoacuterico [13]
Aplicaciones del quitosano El quitosano tiene muchas aplicaciones algunas de ellas se
muestran en la Tabla 1 [5 14 19]
Modificacioacuten quiacutemica del quitosano Reacciones de degradacioacuten activacioacuten del peroacutexido
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de hidroacutegeno En vista de su potencial redox (176 V) se esperariacutea que el peroacutexido de hidroacutegeno
fuese un oxidante relativamente poderoso Sin embargo el peroacutexido de hidroacutegeno es de hecho un
agente oxidante relativamente deacutebil
Tabla 1 Algunas aplicaciones del quitosano [5 14 19]
Campo Aplicacioacuten
Alimentos
Antioxidante
Suplemento dieteacutetico (fuente de fibra)
Reductor de colesterol
Prebioacutetico
Conservantes
Estabilizante y espesante
Recubrimiento de proteccioacuten fungistaacutetico y antibacteriano
Ciencias medicas
Antitumoral
Hemostaacutetico y anticoagulante
Bacteriostaacutetico
Sistema de liberacioacuten de drogas
Antiuacutelcera
Lentes de contacto
Suturas quiruacutergicas
Piel artificial
Implantes dentales
Reconstruccioacuten oacutesea
Agricultura
Mecanismo defensivo en plantas
Estimulante del crecimiento
Recubrimiento de semillas
Sistema de liberacioacuten de fertilizantes
Cosmeacuteticos
Humectante
Tonificante
Gelificante para cremas y lociones
Tratamiento de aguas
Floculante
Eliminacioacuten de iones metaacutelicos
Reductor de olores
Remocioacuten de tintes y colorantes
Aunque se pueden obtener algunas oxidaciones sin ayuda por ejemplo reacciona lentamente
con sustratos como olefinas hidrocarburos aromaacuteticos y alcanos pero para la mayoriacutea de las
aplicaciones se requiere activacioacuten de una forma u otra Esto se refleja en el hecho de que el
peroacutexido de hidroacutegeno ha sido usado como agente blanqueador por maacutes de un siglo y algunos
meacutetodos de activacioacuten como el reactivo de Fenton son auacuten maacutes viejos [11]
La baja reactividad intriacutenseca del peroacutexido de hidroacutegeno es en realidad una ventaja significa
que se puede activar de forma selectiva para llevar a cabo una oxidacioacuten dada La Figura 3
proporciona un resumen de los diversos oxidantes activos derivados del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
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Figura 3 Activacioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
Activacioacuten cataliacutetica reaccioacuten de Fenton La reaccioacuten de Fenton es la maacutes simple y
econoacutemica de los procesos de oxidacioacuten avanzada [20] y es conocida por ser muy eficaz en la
eliminacioacuten de muchos contaminantes orgaacutenicos peligrosos del agua La ventaja principal es la
destruccioacuten completa de los contaminantes en compuestos inocuos agua CO2 y sales inorgaacutenicas
La reaccioacuten de Fenton provoca la disociacioacuten del oxidante y la formacioacuten de radicales hidroxilo
altamente reactivos que atacan y destruyen los contaminantes orgaacutenicos [21]
El reactivo de Fenton es una mezcla de peroacutexido de hidroacutegeno e ion ferroso el cual genera
radicales hidroxilo de acuerdo a la reaccioacuten
(1)
El hierro ferroso (Fe2+
) inicia y cataliza la descomposicioacuten de H2O2 lo que resulta en la
generacioacuten de radicales hidroxilo La generacioacuten de los radicales implica una secuencia de reaccioacuten
compleja en una solucioacuten acuosa
(Iniciacioacuten de cadena) (2)
k1 asymp 70 Mminus1
middotsminus1
(Terminacioacuten de la cadena) (3)
k2 = 32middot10
8 M
minus1middots
minus1
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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glucosamina βndash14ndashNndashglucosamina [12] (veacutease la Figura 1) y posee enlaces de hidroacutegeno
ampliamente extendidos a lo largo de toda su estructura semicristalina causantes de su muy
reducida solubilidad [13]
Figura 1 Estructura quiacutemica de la quitina
La quitina es un importante polisacaacuterido estructural que provee de integridad estructural y
protege a insectos y crustaacuteceos Ademaacutes es calificada como material funcional debido a sus
excelentes propiedades tales como la biocompatibilidad la biodegradabilidad no toxicidad y
propiedades como adsorbente [14]
Fuentes de quitina La quitina se encuentra distribuida ampliamente en la naturaleza y
despueacutes de la celulosa es el segundo polisacaacuterido en abundancia [15] Se produce en paredes
celulares de hongos y levaduras en las conchas de langostas cangrejos camarones asiacute como en la
cutiacutecula de los insectos Tambieacuten es producido por diversos organismos marinos vivos [5] Sin
embargo la produccioacuten industrial de este biomaterial praacutecticamente se basa en el tratamiento de las
conchas de diversos tipos de crustaacuteceos debido a la facilidad de encontrar estos materiales como
desecho de las plantas procesadoras de estas especies [15]
Figura 2 Estructura molecular del quitosano
Quitosano Propiedades del quitosano El quitosano es el derivado desacetilado de la
quitina es un copoliacutemero lineal de unidades β(1rarr4)ndash2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucosa y βndash(1rarr4)ndash2ndash
GAlt50
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acetamidandash2ndashdesoxindashDndashglucosa (Figura 2) [16] Este se puede encontrar de forma natural en las
paredes celulares de algunas plantas y hongos [15] es policatioacutenico no toacutexico biodegradable asiacute
como antimicrobiano y se ha reportado que tiene numerosas aplicaciones especialmente en los
alimentos farmaceacuteutica y cosmeacutetica [16] Estas propiedades han atraiacutedo una gran atencioacuten hacia
este material ya que tambieacuten se puede obtener en varias formas por su capacidad de gelificacioacuten y
ser modificado posteriormente por sus grupos amino e hidroxilo [17]Sin embargo la idoneidad del
quitosano para tales aplicaciones depende de su masa molar y su grado de desacetilacioacuten [16]
La produccioacuten de quitosano implica los pasos de desmineralizacioacuten desproteinizacioacuten
decoloracioacuten y desacetilacioacuten [18] Se extrae la quitina de los crustaacuteceos por tratamiento con aacutecido
para disolver el carbonato de calcio seguida de extraccioacuten alcalina para solubilizar las proteiacutenas
Ademaacutes se antildeade con frecuencia un paso de decoloracioacuten para eliminar restos de pigmentos y
obtener un producto incoloro La quitina resultante es desacetilada en hidroacutexido de sodio a alta
temperatura [5 14] Si por este tratamiento la quitina es desacetilada en maacutes de un 50 se produce
el quitosano y cuando el grado de desacetilacioacuten alcanza el 100 el poliacutemero se conoce como
quitano [15]
Mientras que la quitina es insoluble en la mayoriacutea de disolventes orgaacutenicos el quitosano se
disuelve faacutecilmente en soluciones aacutecidas diluidas por debajo de pH 60 Esto se debe a que el
quitosano es una base fuerte ya que cuenta con grupos amino primarios con un valor pKa de 63 La
presencia de estos grupos amino indican que el pH altera sustancialmente el estado de carga y las
propiedades de quitosano A pH bajos estas aminas se protonan y se cargan positivamente
haciendo al quitosano un polielectrolito catioacutenico soluble en agua Por otra parte a medida que
aumenta el pH por encima de 6 los grupos amino se desprotonan y el quitosano pierde su carga y se
convierte en un poliacutemero insoluble A medida que el valor de pKa es altamente dependiente del
grado de Nndashacetilacioacuten la solubilidad del quitosano es dependiente del grado de desacetilacioacuten y
del meacutetodo de desacetilacioacuten utilizado [13]
El quitosano puede formar sales cuaternarias de nitroacutegeno a bajos valores de pH Asiacute los
aacutecidos orgaacutenicos como el aceacutetico foacutermico y aacutecido laacutectico pueden disolverlo El mejor disolvente
encontrado para este fin es el aacutecido foacutermico donde las soluciones se obtienen en sistemas acuosos
que contienen 02ndash100 de aacutecido foacutermico No obstante el solvente maacutes comuacutenmente utilizado es
aacutecido aceacutetico al 1 alrededor de pH 4 aunque tambieacuten es soluble en aacutecido clorhiacutedrico al 1 y en
aacutecido niacutetrico diluido pero es insoluble en el aacutecido sulfuacuterico y fosfoacuterico [13]
Aplicaciones del quitosano El quitosano tiene muchas aplicaciones algunas de ellas se
muestran en la Tabla 1 [5 14 19]
Modificacioacuten quiacutemica del quitosano Reacciones de degradacioacuten activacioacuten del peroacutexido
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de hidroacutegeno En vista de su potencial redox (176 V) se esperariacutea que el peroacutexido de hidroacutegeno
fuese un oxidante relativamente poderoso Sin embargo el peroacutexido de hidroacutegeno es de hecho un
agente oxidante relativamente deacutebil
Tabla 1 Algunas aplicaciones del quitosano [5 14 19]
Campo Aplicacioacuten
Alimentos
Antioxidante
Suplemento dieteacutetico (fuente de fibra)
Reductor de colesterol
Prebioacutetico
Conservantes
Estabilizante y espesante
Recubrimiento de proteccioacuten fungistaacutetico y antibacteriano
Ciencias medicas
Antitumoral
Hemostaacutetico y anticoagulante
Bacteriostaacutetico
Sistema de liberacioacuten de drogas
Antiuacutelcera
Lentes de contacto
Suturas quiruacutergicas
Piel artificial
Implantes dentales
Reconstruccioacuten oacutesea
Agricultura
Mecanismo defensivo en plantas
Estimulante del crecimiento
Recubrimiento de semillas
Sistema de liberacioacuten de fertilizantes
Cosmeacuteticos
Humectante
Tonificante
Gelificante para cremas y lociones
Tratamiento de aguas
Floculante
Eliminacioacuten de iones metaacutelicos
Reductor de olores
Remocioacuten de tintes y colorantes
Aunque se pueden obtener algunas oxidaciones sin ayuda por ejemplo reacciona lentamente
con sustratos como olefinas hidrocarburos aromaacuteticos y alcanos pero para la mayoriacutea de las
aplicaciones se requiere activacioacuten de una forma u otra Esto se refleja en el hecho de que el
peroacutexido de hidroacutegeno ha sido usado como agente blanqueador por maacutes de un siglo y algunos
meacutetodos de activacioacuten como el reactivo de Fenton son auacuten maacutes viejos [11]
La baja reactividad intriacutenseca del peroacutexido de hidroacutegeno es en realidad una ventaja significa
que se puede activar de forma selectiva para llevar a cabo una oxidacioacuten dada La Figura 3
proporciona un resumen de los diversos oxidantes activos derivados del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
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Figura 3 Activacioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
Activacioacuten cataliacutetica reaccioacuten de Fenton La reaccioacuten de Fenton es la maacutes simple y
econoacutemica de los procesos de oxidacioacuten avanzada [20] y es conocida por ser muy eficaz en la
eliminacioacuten de muchos contaminantes orgaacutenicos peligrosos del agua La ventaja principal es la
destruccioacuten completa de los contaminantes en compuestos inocuos agua CO2 y sales inorgaacutenicas
La reaccioacuten de Fenton provoca la disociacioacuten del oxidante y la formacioacuten de radicales hidroxilo
altamente reactivos que atacan y destruyen los contaminantes orgaacutenicos [21]
El reactivo de Fenton es una mezcla de peroacutexido de hidroacutegeno e ion ferroso el cual genera
radicales hidroxilo de acuerdo a la reaccioacuten
(1)
El hierro ferroso (Fe2+
) inicia y cataliza la descomposicioacuten de H2O2 lo que resulta en la
generacioacuten de radicales hidroxilo La generacioacuten de los radicales implica una secuencia de reaccioacuten
compleja en una solucioacuten acuosa
(Iniciacioacuten de cadena) (2)
k1 asymp 70 Mminus1
middotsminus1
(Terminacioacuten de la cadena) (3)
k2 = 32middot10
8 M
minus1middots
minus1
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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60 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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acetamidandash2ndashdesoxindashDndashglucosa (Figura 2) [16] Este se puede encontrar de forma natural en las
paredes celulares de algunas plantas y hongos [15] es policatioacutenico no toacutexico biodegradable asiacute
como antimicrobiano y se ha reportado que tiene numerosas aplicaciones especialmente en los
alimentos farmaceacuteutica y cosmeacutetica [16] Estas propiedades han atraiacutedo una gran atencioacuten hacia
este material ya que tambieacuten se puede obtener en varias formas por su capacidad de gelificacioacuten y
ser modificado posteriormente por sus grupos amino e hidroxilo [17]Sin embargo la idoneidad del
quitosano para tales aplicaciones depende de su masa molar y su grado de desacetilacioacuten [16]
La produccioacuten de quitosano implica los pasos de desmineralizacioacuten desproteinizacioacuten
decoloracioacuten y desacetilacioacuten [18] Se extrae la quitina de los crustaacuteceos por tratamiento con aacutecido
para disolver el carbonato de calcio seguida de extraccioacuten alcalina para solubilizar las proteiacutenas
Ademaacutes se antildeade con frecuencia un paso de decoloracioacuten para eliminar restos de pigmentos y
obtener un producto incoloro La quitina resultante es desacetilada en hidroacutexido de sodio a alta
temperatura [5 14] Si por este tratamiento la quitina es desacetilada en maacutes de un 50 se produce
el quitosano y cuando el grado de desacetilacioacuten alcanza el 100 el poliacutemero se conoce como
quitano [15]
Mientras que la quitina es insoluble en la mayoriacutea de disolventes orgaacutenicos el quitosano se
disuelve faacutecilmente en soluciones aacutecidas diluidas por debajo de pH 60 Esto se debe a que el
quitosano es una base fuerte ya que cuenta con grupos amino primarios con un valor pKa de 63 La
presencia de estos grupos amino indican que el pH altera sustancialmente el estado de carga y las
propiedades de quitosano A pH bajos estas aminas se protonan y se cargan positivamente
haciendo al quitosano un polielectrolito catioacutenico soluble en agua Por otra parte a medida que
aumenta el pH por encima de 6 los grupos amino se desprotonan y el quitosano pierde su carga y se
convierte en un poliacutemero insoluble A medida que el valor de pKa es altamente dependiente del
grado de Nndashacetilacioacuten la solubilidad del quitosano es dependiente del grado de desacetilacioacuten y
del meacutetodo de desacetilacioacuten utilizado [13]
El quitosano puede formar sales cuaternarias de nitroacutegeno a bajos valores de pH Asiacute los
aacutecidos orgaacutenicos como el aceacutetico foacutermico y aacutecido laacutectico pueden disolverlo El mejor disolvente
encontrado para este fin es el aacutecido foacutermico donde las soluciones se obtienen en sistemas acuosos
que contienen 02ndash100 de aacutecido foacutermico No obstante el solvente maacutes comuacutenmente utilizado es
aacutecido aceacutetico al 1 alrededor de pH 4 aunque tambieacuten es soluble en aacutecido clorhiacutedrico al 1 y en
aacutecido niacutetrico diluido pero es insoluble en el aacutecido sulfuacuterico y fosfoacuterico [13]
Aplicaciones del quitosano El quitosano tiene muchas aplicaciones algunas de ellas se
muestran en la Tabla 1 [5 14 19]
Modificacioacuten quiacutemica del quitosano Reacciones de degradacioacuten activacioacuten del peroacutexido
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de hidroacutegeno En vista de su potencial redox (176 V) se esperariacutea que el peroacutexido de hidroacutegeno
fuese un oxidante relativamente poderoso Sin embargo el peroacutexido de hidroacutegeno es de hecho un
agente oxidante relativamente deacutebil
Tabla 1 Algunas aplicaciones del quitosano [5 14 19]
Campo Aplicacioacuten
Alimentos
Antioxidante
Suplemento dieteacutetico (fuente de fibra)
Reductor de colesterol
Prebioacutetico
Conservantes
Estabilizante y espesante
Recubrimiento de proteccioacuten fungistaacutetico y antibacteriano
Ciencias medicas
Antitumoral
Hemostaacutetico y anticoagulante
Bacteriostaacutetico
Sistema de liberacioacuten de drogas
Antiuacutelcera
Lentes de contacto
Suturas quiruacutergicas
Piel artificial
Implantes dentales
Reconstruccioacuten oacutesea
Agricultura
Mecanismo defensivo en plantas
Estimulante del crecimiento
Recubrimiento de semillas
Sistema de liberacioacuten de fertilizantes
Cosmeacuteticos
Humectante
Tonificante
Gelificante para cremas y lociones
Tratamiento de aguas
Floculante
Eliminacioacuten de iones metaacutelicos
Reductor de olores
Remocioacuten de tintes y colorantes
Aunque se pueden obtener algunas oxidaciones sin ayuda por ejemplo reacciona lentamente
con sustratos como olefinas hidrocarburos aromaacuteticos y alcanos pero para la mayoriacutea de las
aplicaciones se requiere activacioacuten de una forma u otra Esto se refleja en el hecho de que el
peroacutexido de hidroacutegeno ha sido usado como agente blanqueador por maacutes de un siglo y algunos
meacutetodos de activacioacuten como el reactivo de Fenton son auacuten maacutes viejos [11]
La baja reactividad intriacutenseca del peroacutexido de hidroacutegeno es en realidad una ventaja significa
que se puede activar de forma selectiva para llevar a cabo una oxidacioacuten dada La Figura 3
proporciona un resumen de los diversos oxidantes activos derivados del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
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Figura 3 Activacioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
Activacioacuten cataliacutetica reaccioacuten de Fenton La reaccioacuten de Fenton es la maacutes simple y
econoacutemica de los procesos de oxidacioacuten avanzada [20] y es conocida por ser muy eficaz en la
eliminacioacuten de muchos contaminantes orgaacutenicos peligrosos del agua La ventaja principal es la
destruccioacuten completa de los contaminantes en compuestos inocuos agua CO2 y sales inorgaacutenicas
La reaccioacuten de Fenton provoca la disociacioacuten del oxidante y la formacioacuten de radicales hidroxilo
altamente reactivos que atacan y destruyen los contaminantes orgaacutenicos [21]
El reactivo de Fenton es una mezcla de peroacutexido de hidroacutegeno e ion ferroso el cual genera
radicales hidroxilo de acuerdo a la reaccioacuten
(1)
El hierro ferroso (Fe2+
) inicia y cataliza la descomposicioacuten de H2O2 lo que resulta en la
generacioacuten de radicales hidroxilo La generacioacuten de los radicales implica una secuencia de reaccioacuten
compleja en una solucioacuten acuosa
(Iniciacioacuten de cadena) (2)
k1 asymp 70 Mminus1
middotsminus1
(Terminacioacuten de la cadena) (3)
k2 = 32middot10
8 M
minus1middots
minus1
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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de hidroacutegeno En vista de su potencial redox (176 V) se esperariacutea que el peroacutexido de hidroacutegeno
fuese un oxidante relativamente poderoso Sin embargo el peroacutexido de hidroacutegeno es de hecho un
agente oxidante relativamente deacutebil
Tabla 1 Algunas aplicaciones del quitosano [5 14 19]
Campo Aplicacioacuten
Alimentos
Antioxidante
Suplemento dieteacutetico (fuente de fibra)
Reductor de colesterol
Prebioacutetico
Conservantes
Estabilizante y espesante
Recubrimiento de proteccioacuten fungistaacutetico y antibacteriano
Ciencias medicas
Antitumoral
Hemostaacutetico y anticoagulante
Bacteriostaacutetico
Sistema de liberacioacuten de drogas
Antiuacutelcera
Lentes de contacto
Suturas quiruacutergicas
Piel artificial
Implantes dentales
Reconstruccioacuten oacutesea
Agricultura
Mecanismo defensivo en plantas
Estimulante del crecimiento
Recubrimiento de semillas
Sistema de liberacioacuten de fertilizantes
Cosmeacuteticos
Humectante
Tonificante
Gelificante para cremas y lociones
Tratamiento de aguas
Floculante
Eliminacioacuten de iones metaacutelicos
Reductor de olores
Remocioacuten de tintes y colorantes
Aunque se pueden obtener algunas oxidaciones sin ayuda por ejemplo reacciona lentamente
con sustratos como olefinas hidrocarburos aromaacuteticos y alcanos pero para la mayoriacutea de las
aplicaciones se requiere activacioacuten de una forma u otra Esto se refleja en el hecho de que el
peroacutexido de hidroacutegeno ha sido usado como agente blanqueador por maacutes de un siglo y algunos
meacutetodos de activacioacuten como el reactivo de Fenton son auacuten maacutes viejos [11]
La baja reactividad intriacutenseca del peroacutexido de hidroacutegeno es en realidad una ventaja significa
que se puede activar de forma selectiva para llevar a cabo una oxidacioacuten dada La Figura 3
proporciona un resumen de los diversos oxidantes activos derivados del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
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Figura 3 Activacioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
Activacioacuten cataliacutetica reaccioacuten de Fenton La reaccioacuten de Fenton es la maacutes simple y
econoacutemica de los procesos de oxidacioacuten avanzada [20] y es conocida por ser muy eficaz en la
eliminacioacuten de muchos contaminantes orgaacutenicos peligrosos del agua La ventaja principal es la
destruccioacuten completa de los contaminantes en compuestos inocuos agua CO2 y sales inorgaacutenicas
La reaccioacuten de Fenton provoca la disociacioacuten del oxidante y la formacioacuten de radicales hidroxilo
altamente reactivos que atacan y destruyen los contaminantes orgaacutenicos [21]
El reactivo de Fenton es una mezcla de peroacutexido de hidroacutegeno e ion ferroso el cual genera
radicales hidroxilo de acuerdo a la reaccioacuten
(1)
El hierro ferroso (Fe2+
) inicia y cataliza la descomposicioacuten de H2O2 lo que resulta en la
generacioacuten de radicales hidroxilo La generacioacuten de los radicales implica una secuencia de reaccioacuten
compleja en una solucioacuten acuosa
(Iniciacioacuten de cadena) (2)
k1 asymp 70 Mminus1
middotsminus1
(Terminacioacuten de la cadena) (3)
k2 = 32middot10
8 M
minus1middots
minus1
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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60 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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Figura 3 Activacioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno [11]
Activacioacuten cataliacutetica reaccioacuten de Fenton La reaccioacuten de Fenton es la maacutes simple y
econoacutemica de los procesos de oxidacioacuten avanzada [20] y es conocida por ser muy eficaz en la
eliminacioacuten de muchos contaminantes orgaacutenicos peligrosos del agua La ventaja principal es la
destruccioacuten completa de los contaminantes en compuestos inocuos agua CO2 y sales inorgaacutenicas
La reaccioacuten de Fenton provoca la disociacioacuten del oxidante y la formacioacuten de radicales hidroxilo
altamente reactivos que atacan y destruyen los contaminantes orgaacutenicos [21]
El reactivo de Fenton es una mezcla de peroacutexido de hidroacutegeno e ion ferroso el cual genera
radicales hidroxilo de acuerdo a la reaccioacuten
(1)
El hierro ferroso (Fe2+
) inicia y cataliza la descomposicioacuten de H2O2 lo que resulta en la
generacioacuten de radicales hidroxilo La generacioacuten de los radicales implica una secuencia de reaccioacuten
compleja en una solucioacuten acuosa
(Iniciacioacuten de cadena) (2)
k1 asymp 70 Mminus1
middotsminus1
(Terminacioacuten de la cadena) (3)
k2 = 32middot10
8 M
minus1middots
minus1
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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Activacioacuten viacutea peroxiaacutecidos aacutecido peraceacutetico El aacutecido peraceacutetico (PAA) es un oxidante
fuerte con potencial de reduccioacuten de 106 V que es similar al del dioacutexido de cloro Se ha aplicado
en la desinfeccioacuten y blanqueo de textiles y pulpas epoxidacioacuten de olefinas entre otras El aacutecido
peraceacutetico es una solucioacuten de equilibrio que consiste en peroacutexido de hidroacutegeno aacutecido aceacutetico y
aacutecido peraceacutetico Puede ser preparado por interaccioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno concentrado y
aacutecido aceacutetico en presencia de un aacutecido mineral fuerte tal como aacutecido sulfuacuterico Alternativamente se
pueden preparar por reaccioacuten del peroacutexido de hidroacutegeno mezclado con anhiacutedrido aceacutetico a
temperatura ambiente en presencia de un catalizador adecuado como hidroacutexido de sodio o EDTA
La reaccioacuten tiene lugar oacuteptimo con 1 parte de peroacutexido de hidroacutegeno y 6 partes de anhiacutedrido aceacutetico
despueacutes de aproximadamente 4 horas a temperatura ambiente para dar un rendimiento de
aproximadamente el 80 El anhiacutedrido aceacutetico en exceso puede sin embargo causar una reaccioacuten
secundaria indeseable para producir peroacutexido de diacetilo altamente explosivo [22]
Paraacutemetros que afectan las reacciones de degradacioacuten con peroacutexido de hidroacutegeno
Efecto del grado de desacetilacioacuten (GD) El quitosano con alto grado de desacetilacioacuten o bajo
grado de Nndashacetilacioacuten (GA) es faacutecilmente depolimerizado lo cual estaacute relacionado a el
mecanismo de depolimerizacioacuten del quitosano con H2O2 En un sistema de reaccioacuten aacutecida se
encuentra un mayor nuacutemero de grupos amino protonados lo que mejora la solubilidad del quitosano
y ayuda a aumentar el pH de la solucioacuten Esto sugiere que mientras maacutes grupos amino libres haya
en la cadena del polisacaacuterido con mayor facilidad reaccionaraacute el grupo NH2 con el H2O2 para
romper la cadena de quitosano Esto indica que los grupos amino en el Cndash2 del quitosano facilita un
sitio especiacutefico de fragmentacioacuten del enlace glucoacutesido mientras que el grupo Nndashacetilo frena el
reordenamiento de los radicales durante la β ruptura [23]
Efecto de la temperatura El aumento de la temperatura incrementa la velocidad inicial de la
degradacioacuten Sin embargo cuando la temperatura es mayor que 70ordmC las condiciones se tornan
muy severas y se degrada el producto Por lo tanto la temperatura no debe ser mayor a 60ordmC durante
la reaccioacuten [23]
Efecto de la concentracioacuten de peroacutexido de hidroacutegeno La masa molar de los productos
disminuye gradualmente con el aumento de la concentracioacuten de H2O2 en la reaccioacuten Cuando las
otras condiciones de reaccioacuten se mantienen constantes una mayor concentracioacuten de H2O2 produce
un producto de menor masa molar Cuando la concentracioacuten de H2O2 es mayor de 05 M la mayor
parte de los productos son de baja masa molar lo cual indica que la concentracioacuten de H2O2 afecta el
grado de depolimerizacioacuten y el rendimiento de los productos [23]
Efecto del tiempo de reaccioacuten En la degradacioacuten del quitosano con H2O2 se ha observado
una raacutepida disminucioacuten de la viscosidad del mismo en los primeros 30 minutos de reaccioacuten
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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observando posteriormente una disminucioacuten draacutestica en la velocidad de reaccioacuten [24 25]
Mecanismo de depolimerizacioacuten Se ha encontrado en la literatura que durante la
degradacioacuten de quitosano con H2O2 puede ocurrir formacioacuten de aacutecidos carboxiacutelicos evidenciada
por la reduccioacuten gradual del pH durante la reaccioacuten ademaacutes de la desaminacioacuten caracterizada por
la produccioacuten de gas amoniacuteaco al antildeadir NaOH por lo que se indica que el tratamiento con H2O2 no
soacutelo reduce la masa molar sino tambieacuten modifica la estructura quiacutemica del quitosano original [2]
En el sistema de despolimerizacioacuten de quitosano con H2O2 los equilibrios son como se muestra en
las ecuaciones 4ndash6
+ +
2 3R NH + H R NH
(4)
+
2 2H O H + HOO
(5)
+ + +
2 2 2 3H O + R NH + H R NH + HOO + H
(6)
El anioacuten hidroperoacutexido es muy inestable y se descompone faacutecilmente al altamente reactivo
radical hidroxilo (HObull) (ecuaciones 7 y 8)
OOHHOO (7)
OHOHOHOOOH 2222 (8)
El radical hidroxilo es un oxidante muy poderoso La principal accioacuten quiacutemica del HObull con un
polisacaacuterido es la abstraccioacuten de hidroacutegeno Reacciona raacutepidamente con los carbohidratos como se
muestra en las reacciones 9 y 10
OHGlcNGlcNHOGlcNGlcN nmnm 2)()()()(
(9)
nmnm GlcNGlcNOHGlcNGlcN )()()()( 2
(10)
extrae un aacutetomo de hidroacutegeno y se combina con eacutel para formar agua [7]
Durante el tratamiento el RndashNH2 preferentemente reacciona con H+ para producir RndashNH3
+ lo
que provoca la disminucioacuten de [H+] y el incremento del pH Ademaacutes el grupo HOOndash es
raacutepidamente descompuesto a HObull lo que significa que el H2O2 se descompone continuamente
Estos radicales sufren reacciones raacutepidamente para formar productos de oxidacioacuten solubles en agua
con baja masa molar [7]
Caracterizacioacuten quiacutemica de la quitina y quitosano Las caracteriacutesticas de la quitina y
quitosano tienen un gran efecto en sus propiedades e incluso en sus posibles aplicaciones De
hecho no todas las muestras de quitina y quitosano pueden ser usadas para las mismas aplicaciones
En la Tabla 2 se muestran varios meacutetodos para la determinacioacuten de estas caracteriacutesticas [26]
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Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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64 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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66 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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51 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Tabla 2 Caracteriacutesticas fisicoquiacutemicas de quitina y quitosano y los meacutetodos de
determinacioacuten [26]
Caracteriacutesticas
fisicoquiacutemicas Meacutetodo de determinacioacuten
Grado de desacetilacioacuten
Espectroscopia FTIR
Primera derivada de espectroscopia UV
Espectroscopias 1H RMN y
13C RMN
Valoracioacuten conductimeacutetrica
Valoracioacuten potenciomeacutetrica
Calorimetriacutea diferencial de barrido
Masa molar promedio o
distribucioacuten de masas
molares
Viscosimetriacutea
Cromatografiacutea de permeacioacuten de geles
Dispersioacuten de luz
Cristalinidad Difraccioacuten de rayos X
Contenido de humedad Anaacutelisis gravimeacutetrico
Contenido de cenizas Anaacutelisis gravimeacutetrico
Proteiacutenas Meacutetodo de Bradford
Un paraacutemetro importante para examinar de cerca es el grado de Nndashacetilacioacuten (GA) de la
quitina es decir la proporcioacuten de 2ndashacetamidondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa a las unidades
estructurales de 2ndashaminondash2ndashdesoxindashDndashglucopiranosa En la quitina las unidades acetiladas
prevalecen (grado de acetilacioacuten normalmente 90) Mientras el quitosano tiene un grado de
acetilacioacuten tiacutepico menor al 35 [14]Como este uacuteltimo es soluble en medio acuoso hay muchas
teacutecnicas disponibles para la determinacioacuten del GA la maacutes discutida es la espectroscopia infrarroja
debido a su simplicidad pero esta necesita de calibracioacuten utilizando una teacutecnica absoluta [27] Los
espectros FTIR del quitosano son usualmente corridos en el infrarrojo medio (4000 a 400 cmndash1
) con
una resolucioacuten de 4 cmndash1
Las muestras para anaacutelisis de FTIR son preparadas mezclando quitosano
pulverizado en KBr en polvo en relacioacuten 15 [28] Las principales bandas de referencia del
quitosano en FTIR se muestran en la Tabla 3 [29]
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimarcomparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
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absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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56 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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58 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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[28] Kumirska J Czerwicka M Kaczynski Z Bychowska A Brzozowski K Thoumlming J Stepnowski P
Mar Drugs 8 1567 (2010)
[29] Kasaai M Carbohyd Polym 71 497 (2008)
[30] Wu Y Pingjia Y Polym Degrad Stabil 94 851 (2009)
[31] Rabea E Badawy M Eur Polym J 45 237 (2009)
[32] Yen M Yang J Mauc JCarbohydr Polym 75 15 (2009)
[33] Gulati N Nagaich U Saraf S Sci Pharm 81 843 (2013)
[34] Wu Y Zhou J Ye C Sun H Zhao R Iran Polym J 19 511 (2010)
[35] Bolboacă S Jaumlntschi L Entropy 9 198 (2007)
[36] Jin X Wang J Bai J Carbohydr Res 344 825 (2009)
[37] Tirgar A Golbabaei F Hamedi J Nourijelyani K Shahtaheri S Moosavi S Int J Environ Sci
Tech 3 305 (2006)
[38] Kavanaugh C Con Tec 19 0 (2002) (la paacutegina cero no existe)
[39] Schweikert C Liszkay A Schopfer P Phytochemistry 61 31(2002)
[40] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli KYounes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
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52 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (ecuaciones 11 y 12) [29]
Tabla 3 Bandas de absorcioacuten de la quitina y quitosano en FTIR3 [29]
Banda de Absorcioacuten Numero de onda cmndash1
Estiramiento OndashH 3450
Estiramiento CndashH 2870
Flexioacuten CH2 1420
Estiramiento CndashO 1030
Estiramiento CndashO 1070
Estiramiento de enlace glucoacutesido CndashO 897
Estiramiento CndashO asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) 1160
El GA se determina como se describe a continuacioacuten (1) determinacioacuten de la relacioacuten de
AMAR donde AM es la intensidad de una banda sonda que es la medida que corresponde al
contenido Nndashacetil o amina y AR es la intensidad de una banda de referencia con una intensidad
que no cambia con la GA El GA de muestras desconocidas se puede estimar comparando los
valores de AMAR con respecto a la relacioacuten de muestras patrones con un GA conocido (2) creacioacuten
de una curva de calibracioacuten representando la relacioacuten de absorcioacuten de la quitina oacute quitosano en
funcioacuten de GA conocido y no conocido el GA de las muestras desconocidas se estima a partir de la
curva de calibracioacuten Las muestras para este tipo de anaacutelisis se preparan formando una peliacutecula
delgada hecha de una mezcla de KBr y quitina oacute quitosano Existen distintas relaciones de aacutereas de
absorcioacuten que se han propuesto durante el tiempo para determinar el GA dentro de las cuales se
destaca la relacioacuten A1320A1420 (Ecuaciones 11 y 12) [29]
21320
1420
0382 003133 ( 099)A
GA RA
(11)
100GD GA (12)
Ademaacutes en cada unidad monomeacuterica del quitosano existen seis aacutetomos de carbono y siete
aacutetomos de hidroacutegeno y estos aacutetomos forman enlaces CndashH Ademaacutes cada unidad del poliacutemero tiene
cuatro aacutetomos de hidroacutegeno unidos con cuatro aacutetomos de oxiacutegeno formando grupos OndashH Cada uno
de estos enlaces ubicados en las unidades monomeacutericas poseen un ambiente quiacutemico caracteriacutestico
y por tanto desplazamientos distintos en RMN (Tabla 4) [12]
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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Tabla 4 Asignacioacuten de sentildeales en resonancia magneacutetica nuclear para
muestras de quitina y quitosano [12]
Posicioacuten
δ ppm Tipo de protoacuten
Posicioacuten
δ ppm
Tipo de
Carbono
462 ndash 485 H1 (H1 de GluNAc) 1027 ndash 1057 C1
485 ndash 497 H1 (H1 de GluNH2) 552 ndash 576 C2
318 ndash 324 H2 (H2 de GluNH2) 731 ndash 757 C3
338 ndash 365 H2 (H2 de GluNAc) 809 ndash 857 C4
352 ndash 387 H3 (H3 de GluNH2) 731 ndash 757 C5
352 ndash 365 H3 (H3 de GluNAc) 596 ndash 608 C6
374 ndash 434 H3 H4 H5 H6 Hacute6 228 ndash 293 N ndash CH3 (C7)
195 ndash 209 HNndashCOCH3 1736 ndash 1738 N ndash C = O (C8)
209 ndash 211 CH3COOH (AcOH)
Caracterizacioacuten fisicoquiacutemica de la quitina y quitosano
Viscosimetriacutea capilar Determinacioacuten de la masa molar La distribucioacuten de masas molares
del quitosano puede ser obtenida usando HPLC mientras que su masa molar promedio en peso
(Mw) es determinada por dispersioacuten de luz La viscosimetriacutea es un meacutetodo sencillo y raacutepido para la
determinacioacuten de la masa molar las constantes α y K en la ecuacioacuten de MarkndashHouwinkndashSakurada
(ecuaciones 13 y 14) pueden ser obtenidas por las ecuaciones 15 y 16 [14]
donde
Con los tiempos de caiacuteda obtenidos en un viscosiacutemetro Ubbelohde (tch tiempo de la solucioacuten
de quitosano y tsol tiempo del disolvente) se calculan la viscosidad relativa (ηrel) viscosidad
especiacutefica (ηsp) y la viscosidad reducida (ηred) utilizando las ecuaciones (17ndash19) Entonces la
viscosidad intriacutenseca [η] se obtiene extrapolando a concentracioacuten cero la recta obtenida por la ηred
en funcioacuten de la ecuacioacuten [31]
middot (13)VK M
ln ln middotln (14)VK M
30164middot10 (15)K GD2102middot10 182 (16)GD
(17)ch
rel
sol
tn
t
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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La naturaleza cargada del quitosano en disolventes aacutecidos y la afinidad del quitosano a formar
complejos de agregacioacuten requieren que se tenga mucho cuidado al aplicar las constantes k y α La
masa molar promedio de la quitina es de 102middot106 a 25middot10
6 gmol pero la reaccioacuten de Nndash
desacetilacioacuten reduce esta a 1middot105 a 5middot10
5 gmol [14]
Difraccioacuten de rayos X (XRD) Determinacioacuten del iacutendice de cristalinidad (IC) La quitina
se encuentra como αndashquitina βndashquitina y γndashquitina estas tienen estructuras de cadenas
antiparalelas paralelas y mixtas respectivamente [32] Las formas α y β pueden diferenciarse por
espectroscopias IR RMN en estado soacutelido y de difraccioacuten de rayos X [5]
Utilizando difractogramas de quitina y quitosano con diferentes grados de Nndashacetilacioacuten se
han propuesto las siguientes ecuaciones (20 y 21) para determinar el iacutendice de cristalinidad de los
mismos mediante el uso de difraccioacuten de rayos X
donde I020 I110 e Iam son las intensidades maacuteximas en las reflexiones (020) (110) y la difraccioacuten
amorfa a 2θ = 126deg respectivamente [28]
Disentildeo tipo Taguchi El meacutetodo de Taguchi de disentildeo de experimentos es una poderosa
herramienta estadiacutestica que se basa principalmente en el enfoque sistemaacutetico de la realizacioacuten de un
nuacutemero miacutenimo de experimentos con el uso de un instrumento matemaacutetico conocido como matrices
ortogonales El meacutetodo se utiliza principalmente para prever la contribucioacuten de cada variable y su
nivel para lograr una combinacioacuten oacuteptima El meacutetodo tambieacuten da una descripcioacuten completa de todos
los factores que afectan los paraacutemetros de rendimiento [33] Puede proporcionar un enfoque simple
eficiente y sistemaacutetico para optimizar los disentildeos para el rendimiento la calidad y el costo [34]
La optimizacioacuten de los procesos de fabricacioacuten son meacutetodos poderosos que proporcionan
escenarios de simulacioacuten que producen el resultado deseado Las teacutecnicas de optimizacioacuten podriacutean
contener procedimientos metandashheuriacutesticos yo meacutetodos de optimizacioacuten claacutesicos que implican el
establecimiento de una serie de paraacutemetros con el fin de obtener a) Maacuteximo rendimiento del
presupuesto b) Una configuracioacuten maacutes eficaz de las maquinarias c) Una asignacioacuten maacutes eficaz de
las materias primas y d) Asignaciones oacuteptimas de la fuerza de trabajo para minimizar el trabajo y el
tiempo total
1 (18)sp reln
(19)sp
rednc
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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De acuerdo con la naturaleza del problema el enfoque de Taguchi divide los problemas de
optimizacioacuten en dos categoriacuteas utilizando una funcioacuten de registro de salida deseado en forma de
funciones objetivo para la optimizacioacuten (llamado la razoacuten sentildealruido)
El anaacutelisis factorial se puede utilizar con el fin de encontrar los mejores valores para los
paraacutemetros implicados en el proceso de fabricacioacuten La comparacioacuten del anaacutelisis factorial completo
con el meacutetodo de Taguchi reduce razonablemente el nuacutemero de escaneos experimentales a una
razonable en teacuterminos de costo y tiempo mediante el uso de matrices ortogonales [35]
El meacutetodo de Taguchi se utiliza cada vez que son necesarios ajustes de los paraacutemetros de
intereacutes no soacutelo para los procesos de fabricacioacuten Por lo tanto se utiliza el meacutetodo Taguchi en
muchos aacutembitos tales como ciencias ambientales ciencias agriacutecolas la fiacutesica la quiacutemica [10 24
25 34 36 37] las estadiacutesticas la gestioacuten y los negocios la medicina [35][38]
PARTE EXPERIMENTAL
Reactivos y muestras Los desechos industriales de cangrejo fueron obtenidos de la industria
cangrejera PROMARCA Para la extraccioacuten de la quitina y obtencioacuten del quitosano se utilizoacute sulfito
de sodio (Merck) como agente antioxidante NaOH HCl y etanol 99 (GT) La degradacioacuten del
quitosano se llevoacute a cabo con H2SO4 (JT Baker) aacutecido aceacutetico glacial (Merck) FeSO47H2O
(Merck) H2O2 (JT Baker) y NaOH (Riedel de Haeumln)
Materiales y equipos Durante el proceso de obtencioacuten del quitosano se empleoacute una balanza
digital (marca Premier) con sensibilidad plusmn 5 g para el proceso de degradacioacuten se utilizoacute una
balanza analiacutetica (marca Dhaus) con sensibilidad plusmn 00001 g para las reacciones de
desproteinizacioacuten desmineralizacioacuten y desacetilacioacuten se utilizoacute un reactor disentildeado en ACERINOX
elaborado en acero inoxidable con calentamiento a llama y provisto de agitacioacuten Las reacciones de
degradacioacuten se llevaron a cabo en planchas de calentamiento (Cimarec) con agitacioacuten magneacutetica
Para la caracterizacioacuten se emplearon espectroacutemetro IR (Shimadzu modelo FTIR 8400)
difractoacutemetro de rayos X (Bruker modelo D8 focus) viscosiacutemetro (AntonPaar modelo SVM 3000)
Todo el material de vidrio utilizado fue Pyrex Kimax o equivalente
Meacutetodos empleados
Obtencioacuten de quitosanos con distintos grados de desacetilacioacuten Se trituraron los desechos
de la industria cangrejera y se colocaron en un reactor con solucioacuten de NaOH al 10 mv en una
proporcioacuten 11 (mv) y sulfito de sodio al 1 como agente antioxidante para evitar la degradacioacuten
del material y se calentoacute a 103degC durante 60 minutos para la eliminacioacuten de restos de carne y
proteiacutenas Luego se lavoacute repetidas veces con abundante agua
Se agregoacute solucioacuten 1 M de Hall en proporcioacuten 13 (mv) y se agitoacute durante 3 ocasiones hasta
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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63 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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desaparicioacuten completa de la efervescencia tiacutepica de la reaccioacuten del CaCO3 con soluciones aacutecidas
lavando con abundante agua al finalizar cada proceso
La quitina obtenida fue sometida a un tratamiento termo alcalino con solucioacuten al 30 y 50 de
NaOH y al 1 de sulfito de sodio como agente antioxidante durante distintos periodos de tiempo a
103degC con el fin de hidrolizar los grupos acetamida en el C2 de la quitina Este proceso se realizoacute
en varias etapas consecutivas lavando con abundante agua al finalizar cada etapa agregando NaOH
nuevo en cada etapa para obtener quitosanos con grados de desacetilacioacuten relativamente altos Por
uacuteltimo el quitosano se lavoacute repetidamente con etanol al 99 para decolorarlo En la Tabla 5 se
reflejan las condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten
Tabla 5 Condiciones de desacetilacioacuten para obtencioacuten de quitosanos
Quitosano Concentracioacuten
de NaOH ()
Nuacutemero de
ciclos
Tiempo total
h
1 30 2 (6 h ndash 4 h) 10
2 50 2 (6 h ndash 4 h) 10
3 50 4 (4 h cu) 16
Anaacutelisis del disentildeo tipo Taguchi Para el estudio de las condiciones oacuteptimas de degradacioacuten
de quitosano se utilizoacute un disentildeo tipo Taguchi L9 34 basado en el nuacutemero de factores y sus niveles
Se seleccionaron los cuatro factores (variables de formulacioacuten) es decir el grado de desacetilacioacuten
() el sistema oxidativo volumen de H2O2 (mL) y el tiempo de reaccioacuten (minutos) Todos los
factores le fueron asignados tres niveles es decir bajo medio y alto como se muestra en la Tabla 6
El disentildeo tipo Taguchi se explica en la Tabla 7 que describe el nuacutemero de formulaciones que se
desarrollaron para la optimizacioacuten Se utilizoacute el software informaacutetico Statndashease Design Expert 70
para procesar la data
La seleccioacuten de los sistemas se basoacute en obtener agentes oxidantes basados en H2O2 que
mejoren la capacidad oxidativa del mismo En este orden de ideas se seleccionaron el reactivo de
Fenton y el aacutecido peraceacutetico Ambos oxidantes fuertes empleados para la degradacioacuten de materia
orgaacutenica inclusive de otros polisacaacuteridos [20 22 39] La degradacioacuten con H2O2 en medio aacutecido se
utilizoacute como teacutecnica de referencia Los tiempos de reaccioacuten fueron seleccionados de acuerdo a otras
investigaciones [24 25] y los voluacutemenes de agente oxidante se escogieron para evitar la oxidacioacuten
de los grupos funcionales del quitosano [2]
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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Tabla 6 Variables investigadas y sus niveles
Variable investigada Niveles de cada variable
1 2 3
A Grado de desacetilacioacuten
(GD) 7250 83 90
B Sistema oxidativo Control Fenton
Aacutecido
peraceacutetico
(APA)
C Volumen de H2O2 3 mL 6 mL 9 mL
D Tiempo de reaccioacuten 30 minutos 60 minutos 120 minutos
Tabla 7 Arreglo experimental
Nuacutemero de
experimento
Exp
Factor A
GD
Factor B
Sistema
oxidante
Factor C
Vol H2O2
mL
Factor D
tiempo
minutos
1 725 Control 3 30
2 725 Fenton 6 60
3 725 APA 9 120
4 83 Control 6 120
5 83 Fenton 9 30
6 83 APA 3 60
7 90 Control 9 60
8 90 Fenton 3 120
9 90 APA 6 30
Obtencioacuten de fracciones degradadas Se llevaron a cabo los experimentos del disentildeo
experimental y las muestras obtenidas se caracterizaron por viscosimetriacutea capilar la variable
seleccionada como factor de respuesta para el estudio fue la disminucioacuten de la viscosidad intriacutenseca
con respecto al quitosano de partida
Degradacioacuten con H2O2 (Control) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y
se dejoacute reaccionar a distintos tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano
degradado se precipitoacute con NaOH 10 M gota a gota se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las
muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con H2O2Fe2+
(Fenton) Se disolvioacute 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten
de aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute
en agitacioacuten magneacutetica y se antildeadioacute FeSO4middot7H2O en relacioacuten molar 11 con el H2O2 [21] Despueacutes de
un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de H2O2 al 35 mv y se dejoacute reaccionar por distinto
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tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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61 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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58 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
tiempos a temperatura ambiente Al finalizar la reaccioacuten el quitosano precipitado por accioacuten de ion
SO42ndash
se filtroacute por succioacuten y se colocoacute en un erlenmeyer con 80 mL de solucioacuten de aacutecido sulfuacuterico al
4 mv en constante agitacioacuten Despueacutes de 20 minutos se filtroacute por succioacuten y le lavo con etanol
para eliminar el aacutecido remanente Las muestras fueron secadas en un liofilizador durante 24 horas
Degradacioacuten con aacutecido peraceacutetico (APA) El aacutecido peraceacutetico (APA) fue preparado
mezclando 05 mol de aacutecido aceacutetico con 00625 mol de H2SO4 se refrigeroacute hasta bajar su
temperatura a 5degC Luego se agregaron 05 mol de H2O2 y se dejoacute reaccionar a temperatura
ambiente durante 60 minutos [22] Se disolvieron 15 g de quitosano en 150 mL de solucioacuten de
aacutecido aceacutetico al 5 mv Luego la solucioacuten se agregoacute en un erlenmeyer de 400 mL y se colocoacute en
agitacioacuten magneacutetica Despueacutes de un minuto se agregaron distintos voluacutemenes de solucioacuten de aacutecido
peraceacutetico resultante Al finalizar la reaccioacuten el quitosano degradado se precipitoacute antildeadiendo gota a
gota NaOH 10 M se filtroacute por succioacuten y se lavoacute con etanol Las muestras fueron se secaron en un
liofilizador durante 24 horas
Caracterizacioacuten de quitosano y muestras degradadas Anaacutelisis de humedad y cenizas
Los anaacutelisis de humedad y cenizas de las muestras de quitosano se llevaron a cabo de acuerdo a las
normas COVENIN 1156ndash79 y 1155ndash79 respectivamente pesando aproximadamente 1 g de muestra
por duplicado Estas normas son las equivalentes venezolanas a las normativas AOAC 93015 y
94205 usadas en quitosano [40]
Espectroscopia FTndashIR Los espectros de infrarrojo de quitosano y de las fracciones
degradadas obtenidas se llevaron a cabo por el meacutetodo de ATR Pesando 10 mg de muestra de
quitosano pulverizado con una resolucioacuten de 4 cmndash1
y 30 barridos el intervalo de 400 a 4000 cmndash1
El grado de desacetilacioacuten GD se determinoacute utilizando las ecuaciones (11 y 12)
Difraccioacuten de rayos X Se llevoacute a cabo un estudio de difraccioacuten de rayos X a los quitosanos
obtenidos utilizando un difractoacutemetro de rayos X de radiacioacuten de Cu Kα (λ = 154A) con promedio
de escaneo de 005degpaso y en un intervalo desde 5 hasta 40deg con el fin de observar los cambios en
la cristalinidad luego de la reaccioacuten de desacetilacioacuten El IC se calculoacute mediante la ecuacioacuten 21
Viscosimetriacutea Los anaacutelisis viscosimeacutetricos se realizaron en un viscosiacutemetro Anton Paar
Modelo SVM 3000 se prepararon soluciones de quitosano con una intervalo de concentraciones de
(0 ndash 10) gL en solucioacuten 02 M de CH3COOHNaCl la masa molar del quitosano ha sido estimada
de medidas viscosimeacutetricas utilizando las ecuaciones (14ndash16)
RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Caracterizacioacuten de los quitosanos obtenidos
Espectroscopia FTIR En la Figura 4 se observan los espectros de FTIR de los quitosanos
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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62 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
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obtenidos (Q1 Q2 y Q3) en este pueden distinguirse las sentildeales tiacutepicas del infrarrojo como es la
sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3450 cmndash1
el estiramiento C ndash H a 2870 cmndash1
la sentildeal a
1420 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo CH2 el estiramiento C ndash O a 1030 cmndash1
el
estiramiento C ndash O a 1070 cmndash1
la sentildeal del estiramiento del enlace glucoacutesido C ndash O a 897 cmndash1
y
el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1160 cmndash1
tambieacuten aparecen las bandas
caracteriacutesticas de amidas a 1310 cmndash1
banda de amida III la banda de amida I a 1651 y la banda
de amida II a 1551 cmndash1
[29]
Figura 4 Espectros de FTndashIR de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 Q3) y espectro referencial (Qr)
Las diferencias entre el espectro de referencia (Qr) y los quitosanos obtenidos se deben
principalmente a la teacutecnica de obtencioacuten de dichos espectros siendo tomado el espectro de Qr en
pastillas de KBr y Q1 Q2 y Q3 tomados por ATR
Tabla 8 Caracterizacioacuten de quitosanos obtenidos
Muestra GD
Humedad
Cenizas
Q1 7250 596 075
Q2 8300 557 127
Q3 9000 700 124
Utilizando la relacioacuten de banda A1320A1420 se calculoacute el GA (Tabla 8) a partir de las
ecuaciones 11 y 12 se aprecia que al variar las condiciones de reaccioacuten se obtuvieron quitosanos
con diferentes GA Con el aumento de la concentracioacuten de NaOH y el tiempo de reaccioacuten
disminuyo el GA se variaron de igual forma los periodos de desacetilacioacuten renovando la solucioacuten
de NaOH para cada periodo para evitar la degradacioacuten del quitosano Se observoacute que periodos
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
63 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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64 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
BIBLIOGRAFIacuteA
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cortos de reaccioacuten con alta concentracioacuten de NaOH lograron hidrolizar los grupos acetamido de
manera eficaz obteniendo mejores resultados en la desacetilacioacuten del quitosano
Difraccioacuten de rayos X (DRX) En la Figura 5 se muestran los difractogramas de la quitina de
partida y los quitosanos obtenidos en estos se observan claramente los planos de reflexioacuten a 2θ
alrededor de 10 20 y 26deg caracteriacutesticos de la quitina y quitosano [28] Puede observarse una
variacioacuten en las sentildeales a 10 y 20deg en los distintos quitosanos Hecho causado por el
reordenamiento de los enlaces de hidroacutegeno inter e intramoleculares a causa de la formacioacuten de los
nuevos grupos amino y de la fragmentacioacuten de la cadena polimeacuterica debido al tratamiento
termoalcalino al que fue sometido
Figura 5 Difractogramas de quitosanos obtenidos (Q1 Q2 y Q3)
A partir de la ecuacioacuten (21) se calcularon los iacutendices de cristalinidad evidenciaacutendose el
descenso de la cristalinidad del quitosano a medida que aumenta el grado de desacetilacioacuten (Figura
6) debido al mayor nuacutemero de grupos amino y un tratamiento termoalcalino maacutes prolongado
Viscosimetriacutea La viscosidad intriacutenseca de las muestras fue obtenida por viscosimetriacutea
relativa y se calculoacute la masa molar promedio viscoso MV y las constantes K y α relativas mediante
las ecuaciones (14ndash16) respectivamente (Tabla 9) y se aprecian variaciones en la masa molar de
los quitosanos obtenidos Debido a las fuertes condiciones de la reaccioacuten de desacetilacioacuten que
causan la hidrolisis del enlace glucosiacutedico Al comparar los valores de MV con las condiciones de
reaccioacuten se pudo apreciar que un mayor nuacutemero de procesos en la etapa de desacetilacioacuten permite
obtener quitosano de mayor masa molar
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Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
61 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 6 Iacutendice de cristalinidad vs grado de desacetilacioacuten
Tabla 9 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de los quitosanos
Muestra [η]
gL
K
103 Lg
α MVmiddot10
ndash3
gmol
Q1 078 018
108 231
Q2 052 121 097 051
Q3 224 375 090 120
Disentildeo tipo Taguchi El disentildeo tipo Taguchi permitioacute optimizar las variables estudiadas y
determinar las variables que no son determinantes en el proceso de degradacioacuten oxidativa con
peroacutexido de hidroacutegeno
Tabla 10 Contribucioacuten al estudio de cada factor
Factores A GD B Sistema
oxidante
C Vol
H2O2 D tiempo
SS 459 138 221 0077
Porcentaje de
contribucioacuten al anaacutelisis 5560 1671 2676 093
Contribucioacuten al estudio de cada factor Como se muestra en la Tabla 10 el orden de
contribucioacuten de las variables fue A gt C gt B gt D siendo el GA el factor de mayor fuerza en el
estudio El tiempo por el contrario es el factor menos influyente corroborando que en el proceso de
degradacioacuten oxidativa del quitosano con H2O2 son determinantes los primeros 30 minutos de
reaccioacuten siendo entonces el nivel bajo el oacuteptimo para esta variable
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62 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
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63 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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64 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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66 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
BIBLIOGRAFIacuteA
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Efecto del grado de desacetilacioacuten y masa molar en la degradacioacuten del quitosano En la
Tabla 11 se muestran las viscosidades intriacutensecas ([η]) de las fracciones degradadas obtenidas
durante el estudio tambieacuten se muestran las masas molares calculadas y las variaciones de MV con
respecto al quitosano de origen ( ) Estos resultados fueron utilizados como factor de respuesta
para el anaacutelisis del disentildeo experimental Se puede observar que no hay tendencias entre los
resultados esto se debe a que el disentildeo experimental hace combinaciones de las variables
independientes para obtener la contribucioacuten de cada variable en cada nivel Requirieacutendose de un
tratamiento de datos a traveacutes de un software para conocer las tendencias y niveles oacuteptimos de cada
variable
Tabla 11 Caracterizacioacuten viscosimeacutetrica de las fracciones degradadas de quitosano
Nuacutemero de
experimento [η] gL
MV
gmol
MV
gmol
1 065265 1951 357
2 071160 2114 195
3 055896 1690 618
4 049891 487 25
5 043262 421 91
6 035986 348 163
7 195869 1030 169
8 102569 503 696
9 185698 971 228
La degradacioacuten del quitosano con agentes oxidantes ocurre viacutea radicales libres con accioacuten del
radical OHndash
el cual es atraiacutedo por el par de electrones libres del grupo amino y atacando el enlace
glucosiacutedico rompieacutendolo Por esto se esperaba una mayor degradacioacuten en el quitosano de alto
grado de desacetilacioacuten sin embargo como se puede observar en las Figuras 7 8 y 9 el orden de
degradacioacuten seguacuten el GD fue 725 gt 90 gt 83
Figura 7 Influencia del GD en para cada Figura 8 Influencia del GD en para cada
sistema oxidante con 3 mL de H2O2 sistema oxidante con 6 mL de H2O2
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
63 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
64 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
66 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli K Younes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
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(2008)
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[25] Wang S Huang Q Wang Q Carbohyd Polym 340 1143 (2005)
[26] Aranaz I Mengiacutebar M Harris R Pantildeos I Miralles B Acosta N Galed G Heras Aacute Curr Chem
Biol 3 203 (2009)
[27] Brugnerotto J Lizardib J Polymer 42 3569 (2001)
[28] Kumirska J Czerwicka M Kaczynski Z Bychowska A Brzozowski K Thoumlming J Stepnowski P
Mar Drugs 8 1567 (2010)
[29] Kasaai M Carbohyd Polym 71 497 (2008)
[30] Wu Y Pingjia Y Polym Degrad Stabil 94 851 (2009)
[31] Rabea E Badawy M Eur Polym J 45 237 (2009)
[32] Yen M Yang J Mauc JCarbohydr Polym 75 15 (2009)
[33] Gulati N Nagaich U Saraf S Sci Pharm 81 843 (2013)
[34] Wu Y Zhou J Ye C Sun H Zhao R Iran Polym J 19 511 (2010)
[35] Bolboacă S Jaumlntschi L Entropy 9 198 (2007)
[36] Jin X Wang J Bai J Carbohydr Res 344 825 (2009)
[37] Tirgar A Golbabaei F Hamedi J Nourijelyani K Shahtaheri S Moosavi S Int J Environ Sci
Tech 3 305 (2006)
[38] Kavanaugh C Con Tec 19 0 (2002) (la paacutegina cero no existe)
[39] Schweikert C Liszkay A Schopfer P Phytochemistry 61 31(2002)
[40] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli KYounes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
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63 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Comparar este resultado con los valores de MV permitioacute establecer una relacioacuten entre la masa
molar del quitosano con la facilidad para degradarlo Entre maacutes larga es la cadena del quitosano hay
un mayor nuacutemero de grupos amino en la misma por lo que de acuerdo al mecanismo de
depolimerizacioacuten hay un mayor nuacutemero de sitios activos donde los radicales OHbull pueden romper
los enlaces glucosiacutedicos
Figura 9 Influencia del GD en para cada sistema oxidante con 9 mL de H2O2
Efecto del agente oxidante Como se puede observar en las Figuras 10 11 y 12 el agente
oxidante con mayor efecto en la degradacioacuten del quitosano es el aacutecido peraceacutetico seguido por el
reactivo de Fenton a pesar que los radicales OHbull formados en este uacuteltimo son muchos maacutes
reactivos que el APA Este resultado se explica mediante las condiciones de reaccioacuten
La descomposicioacuten del peroacutexido para formar el radical OHbull necesita de condiciones muy
especiacuteficas de pH que dificulta la degradacioacuten del quitosano por lo que se hace necesaria la
activacioacuten Por otro lado los iones Fe2+
son capaces de descomponer el H2O2 en medio aacutecido casi
instantaacuteneamente generando radicales OHbull sin embargo al ser un polielectrolito en solucioacuten le da
al quitosano la capacidad de adsorber los iones metaacutelicos presentes en la solucioacuten (Fe2+
y Fe3+
) lo
cual crea una competencia por los grupos aminos entre los iones metaacutelicos y los radicales OHbull lo
que disminuye la efectividad del sistema oxidativo para la degradacioacuten del quitosano
El volumen de peroacutexido que provocoacute la mayor degradacioacuten del quitosano fue de 3 mL Se
presume que este efecto se debe a la poca selectividad y alta reactividad de los oxidantes que
pudieron atacar otros grupos funcionales del quitosano al estar en mayor concentracioacuten
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
B1 SAB2 FeSO4B3 CH3CO2H
X1 = A GDX2 = B Sistema oxidante
Actual FactorsC Volumen H2O2 = 9D tiempo = 30
B Sistema oxidante
725 83 90
Interaction
A GD
R1
20
250
480
710
940
Control Fenton APA
Volumen de H2O
2 = 9 mL
GD 725 83 90
940
710
480
250
20
gmol
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Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
BIBLIOGRAFIacuteA
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[6] Maacutermol Z Gutieacuterrez E Paacuteez G Ferrer J Rincoacuten M Multiciencias 4 1 (2004)
[7] Tian F Liu Y Hu K Zhao B J Mater Sci 38 4709 (2003)
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[14] Majeti N Ravi K React Funct Polym 46 1 (2000)
[15] Larez C Av Quim 1 15 (2006)
[16] Wang W Dua Y Qiu Y Wang X Hub Y Yang J Cai J Kennedy J Carbohydr Polym 74 127
(2008)
[17] Wang Q Chen X Liu N Wang S Liu C Meng X Liu C Carbohydr Polym 65 194(2006)
[18] Youn D No H Prinyawiwatkul W Food Sci Technol 42 1553 ( 2009)
[19] Harish K Tharanathan R Food Sci Technol 18 117 (2007)
[20] Lofrano G Mericcedil S Belgiorno V Napoli R Desalination 211 10 (2007)
[21] Neyens E Baeyens J J Hazard Mater B 98 33 (2003)
[22] AbdelndashHalim E AlndashDeyab S Carbohyd Polym 86 988 (2011)
[23] Tian F LiuY Hu K Zhao B Carbohyd Polym 57 31 (2004)
[24] Huang Q Zhuo L Guo Y Carbohyd Polym 72 500 (2008)
[25] Wang S Huang Q Wang Q Carbohyd Polym 340 1143 (2005)
[26] Aranaz I Mengiacutebar M Harris R Pantildeos I Miralles B Acosta N Galed G Heras Aacute Curr Chem
Biol 3 203 (2009)
[27] Brugnerotto J Lizardib J Polymer 42 3569 (2001)
[28] Kumirska J Czerwicka M Kaczynski Z Bychowska A Brzozowski K Thoumlming J Stepnowski P
Mar Drugs 8 1567 (2010)
[29] Kasaai M Carbohyd Polym 71 497 (2008)
[30] Wu Y Pingjia Y Polym Degrad Stabil 94 851 (2009)
[31] Rabea E Badawy M Eur Polym J 45 237 (2009)
[32] Yen M Yang J Mauc JCarbohydr Polym 75 15 (2009)
[33] Gulati N Nagaich U Saraf S Sci Pharm 81 843 (2013)
[34] Wu Y Zhou J Ye C Sun H Zhao R Iran Polym J 19 511 (2010)
[35] Bolboacă S Jaumlntschi L Entropy 9 198 (2007)
[36] Jin X Wang J Bai J Carbohydr Res 344 825 (2009)
[37] Tirgar A Golbabaei F Hamedi J Nourijelyani K Shahtaheri S Moosavi S Int J Environ Sci
Tech 3 305 (2006)
[38] Kavanaugh C Con Tec 19 0 (2002) (la paacutegina cero no existe)
[39] Schweikert C Liszkay A Schopfer P Phytochemistry 61 31(2002)
[40] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli KYounes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
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64 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 10 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q1
Figura 11 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q2
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 725D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
400
800
1200
1600
3 mL
H2O
2
6 mL
H2O
2
9 mL
H2O
2
Sistema
Oxidante
Control Fenton
APA
1600
1200
800
400
0
GD= 25
gmol
Design-Expertreg SoftwareOriginal ScaleLn(R1)
Design Points
C1 3C2 6C3 9
X1 = B Sistema oxidanteX2 = C Volumen H2O2
Actual FactorsA GD = 90D tiempo = 30
C Volumen H2O2
SA FeSO4 CH3CO2H
Interaction
B Sistema oxidante
R1
0
325
650
975
1300
3 mL H2O
2 6 mL H
2O
2 9 mL H
2O
2
GD = 90
Sistema Oxidante
Control Fenton APA
1300
975
650
325
0
gmol
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65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
66 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli K Younes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
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[30] Wu Y Pingjia Y Polym Degrad Stabil 94 851 (2009)
[31] Rabea E Badawy M Eur Polym J 45 237 (2009)
[32] Yen M Yang J Mauc JCarbohydr Polym 75 15 (2009)
[33] Gulati N Nagaich U Saraf S Sci Pharm 81 843 (2013)
[34] Wu Y Zhou J Ye C Sun H Zhao R Iran Polym J 19 511 (2010)
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[36] Jin X Wang J Bai J Carbohydr Res 344 825 (2009)
[37] Tirgar A Golbabaei F Hamedi J Nourijelyani K Shahtaheri S Moosavi S Int J Environ Sci
Tech 3 305 (2006)
[38] Kavanaugh C Con Tec 19 0 (2002) (la paacutegina cero no existe)
[39] Schweikert C Liszkay A Schopfer P Phytochemistry 61 31(2002)
[40] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli KYounes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
Revista Iberoamericana de Poliacutemeros Volumen 16(1) Enero 2015 Gonzaacutelez et al Degradaciccedilon oxidativa del quitosano
65 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 12 Influencia del sistema oxidante en para cada volumen de H2O2 en Q3
Anaacutelisis estadiacutestico ANOVA La Tabla 12 muestra el resultado del anaacutelisis de varianza El
valor F de 3544 implica que el modelo es significativo y tiene solo un 277 de probabilidad de
que un valor F tan grande ocurra a causa del ruido El que los valores de Prob gt F sean menores a
01 quiere decir que el GD el volumen de H2O2 y el sistema oxidativo son teacuterminos significantes
del modelo En la Tabla 13 se muestran los paraacutemetros estadiacutesticos del disentildeo mostrando una buena
precisioacuten del estudio
Tabla 12 Tabla de anaacutelisis de varianza
Origen Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Media de
cuadrados Valor F
Valor P
Prob gt F
Modelo 818 6 136 3544 277middot10ndash2
A GD 459 2 230 5972 165middot10ndash2
B Sistema oxidativo 138 2 069 1790 529middot10ndash2
C V H2O2 221 2 110 2871 337middot10ndash2
Residuales 077middot10ndash1
2 038middot10ndash1
ndash ndash
Total corregido 826 8 ndash ndash ndash
Tabla 13 Paraacutemetros estadiacutesticos
Estadiacutestico Valor Estadiacutestico Valor
DE 02 R2 099
Media 528 R2 ajustada 096
CV 372 R2 prediccioacuten 081
PRESS 156 Precisioacuten adecuada 1932
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66 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
BIBLIOGRAFIacuteA
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[29] Kasaai M Carbohyd Polym 71 497 (2008)
[30] Wu Y Pingjia Y Polym Degrad Stabil 94 851 (2009)
[31] Rabea E Badawy M Eur Polym J 45 237 (2009)
[32] Yen M Yang J Mauc JCarbohydr Polym 75 15 (2009)
[33] Gulati N Nagaich U Saraf S Sci Pharm 81 843 (2013)
[34] Wu Y Zhou J Ye C Sun H Zhao R Iran Polym J 19 511 (2010)
[35] Bolboacă S Jaumlntschi L Entropy 9 198 (2007)
[36] Jin X Wang J Bai J Carbohydr Res 344 825 (2009)
[37] Tirgar A Golbabaei F Hamedi J Nourijelyani K Shahtaheri S Moosavi S Int J Environ Sci
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[38] Kavanaugh C Con Tec 19 0 (2002) (la paacutegina cero no existe)
[39] Schweikert C Liszkay A Schopfer P Phytochemistry 61 31(2002)
[40] Manni L GhorbelndashBellaaj O Jellouli KYounes I Nasri M Appl Biochem Biotechnol 162 345
(2010)
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66 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Caracterizacioacuten por espectroscopia FTIR de los quitosanos degradados Las fracciones
degradadas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia FTIR En las Figuras 13 14 y 15 se
comparan los espectros FTIR de las muestras degradadas con los quitosanos de partida Se pueden
apreciar las sentildeales tiacutepicas del quitosano como la sentildeal del estiramiento OH alrededor de 3435
cmndash1
el estiramiento CndashH a 2872 cmndash1
la sentildeal a 1421 cmndash1
correspondiente a la flexioacuten del grupo
CH2 el estiramiento CndashO a 1012 cmndash1
el estiramiento Cndash O a 1066 cmndash1
la sentildeal del estiramiento
del enlace glucoacutesido CndashO a 895 cmndash1
y el estiramiento C ndash O asimeacutetrico (enlace CndashOndashC) a 1151
cmndash1
[29] Tambieacuten se aprecia un aumento en la intensidad de la sentildeal a 1622 cmndash1
correspondiente a grupos carbonilo [27 29] esto se asocia la formacioacuten de grupos C = O formados
en los extremos de la cadena polimeacuterica a causa de la ruptura de los enlaces glucosiacutedicos por efecto
del oxidante [10 23ndash25]
Figura 13 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q1
Figura 14 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q2
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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[18] Youn D No H Prinyawiwatkul W Food Sci Technol 42 1553 ( 2009)
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[25] Wang S Huang Q Wang Q Carbohyd Polym 340 1143 (2005)
[26] Aranaz I Mengiacutebar M Harris R Pantildeos I Miralles B Acosta N Galed G Heras Aacute Curr Chem
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[28] Kumirska J Czerwicka M Kaczynski Z Bychowska A Brzozowski K Thoumlming J Stepnowski P
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[29] Kasaai M Carbohyd Polym 71 497 (2008)
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[32] Yen M Yang J Mauc JCarbohydr Polym 75 15 (2009)
[33] Gulati N Nagaich U Saraf S Sci Pharm 81 843 (2013)
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[35] Bolboacă S Jaumlntschi L Entropy 9 198 (2007)
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67 Rev Iber Poliacutemeros 16(1) 43-68 (2015)
Figura 15 Espectros de FTIR de las muestras degradadas obtenidas a partir de Q3
CONCLUSIONES
1 El meacutetodo con aacutecido peraceacutetico preparado en base a 3 mL de peroacutexido de hidroacutegeno para
los tres quitosanos utilizados resulto ser el mejor meacutetodo de degradacioacuten
2 La degradacioacuten oxidativa resultoacute ser maacutes efectiva en quitosanos de alta masa molar
prevaleciendo incluso sobre el efecto del grado de desacetilacioacuten ampliamente encontrado en la
literatura en este estudio el quitosano que presentoacute mayor degradacioacuten fue Q1 que presentaba un
grado de desacetilacioacuten del 725 y una masa molar promedio viscosimeacutetrica de 2308 gmol
3 Las fracciones degradadas de quitosano mostraron las sentildeales caracteriacutesticas de FTIR
ademaacutes de una banda de absorcioacuten en la regioacuten de los grupos carbonilo Por lo que se presume
presencia de aldehiacutedos o aacutecidos carboxiacutelicos como nuevos grupos terminales de las cadenas
biopolimeacutericas degradadas
4 Se determinaron las masas molares promedio viscoso MV de las fracciones degradadas de
quitosano mostrando variaciones en la masa molar hasta en 696 gmol lo que indica que los
meacutetodos utilizados son eficientes en la degradacioacuten del quitosano
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